王 輝，襲 安

(中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300)

定長沖跑控制閥穩(wěn)壓過程仿真研究

王 輝，襲 安

(中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300)

基于Fluent軟件對液壓阻攔系統(tǒng)的核心部件——定長沖跑控制閥進行仿真研究。建立基于動網(wǎng)格的內(nèi)部流道的三維模型，利用Fluent軟件對閥芯運動的內(nèi)部流道三維模型進行數(shù)值模擬。采用彈簧光順和局部網(wǎng)格重構(gòu)方法結(jié)合Profile運動邊界驅(qū)動機制實現(xiàn)網(wǎng)格區(qū)域運動，計算穩(wěn)壓階段的進口壓強，為定長沖跑控制閥設(shè)計提供依據(jù)。

定長沖跑控制閥；Fluent；動網(wǎng)格

0 引 言

定長沖跑控制閥是液壓阻攔系統(tǒng)的核心部件，在飛機阻攔降落過程中通過定長沖跑控制閥的調(diào)壓作用，使艦載機在沖跑過程中獲得穩(wěn)定阻攔力。在艦載機于預(yù)定位置攔停的同時，穩(wěn)定的阻攔力保證飛機與飛行員不受過大的負載，避免飛機結(jié)構(gòu)的損壞，確保飛行員安全。

當(dāng)前，對于航母阻攔裝置的研究主要集中在阻攔過程中的艦載機運動學(xué)和阻攔索動力學(xué)方面[1-2]，在定長沖跑控制閥凸輪控制線的研究中，利用Mk7-1型阻攔機的凸輪控制線同比放大求解出Mk7-3型的凸輪控制線[2,5-6]。本文利用Fluent軟件對定長沖跑控制閥內(nèi)部流場進行仿真研究。假設(shè)艦載機在定長沖跑控制閥產(chǎn)生穩(wěn)定壓強差的階段處于勻減速運動，計算出活塞速度和閥芯運動速度，通過Fluent軟件數(shù)值仿真得到進口壓強，通過觀察壓強是否平穩(wěn)，來判斷阻攔力的穩(wěn)定情況，對定長沖跑控制閥的研究有重要的指導(dǎo)意義。

1 定長沖跑控制閥

圖1 定長沖跑控制閥Fig.1 Constant runout control valve

艦載機的阻攔過程按以下方式完成：當(dāng)著艦鉤掛上任意1根攔阻索后，艦載機向前的沖跑帶動阻攔索向前運動，攔阻索產(chǎn)生的拉力傳遞給滑輪索，滑輪索進一步帶動主液壓缸活塞及動滑輪組向安裝在阻攔機另一端的定滑輪組方向運動。同時活塞的運動會迫使主液壓缸的油液經(jīng)過定長沖跑控制閥流入到儲能器中，油液經(jīng)過定長沖跑控制閥的流量是按照預(yù)先設(shè)定的值流入儲能瓶中的，這樣可以使整個阻攔過程平穩(wěn)而安全，最后艦載機被安全地攔停在期望的位置。

定沖跑控制閥由閥體、閥體支柱和重量選擇器組成。閥體主要由閥套、閥芯和閥座組成。通過閥芯與閥座之間的節(jié)流面積有效地控制油液的壓力差，產(chǎn)生飛機降落所需的阻攔力，達到穩(wěn)定壓力的作用。調(diào)壓的實質(zhì)就是一個向下作動的節(jié)流閥。

閥體支柱由凸輪和上、下?lián)u塊及柱塞組成的搖臂機構(gòu)2部分組成。其中凸輪安裝在水平方向的凸輪軸上，工作時，在鏈輪的帶動下，凸輪繞著凸輪軸做旋轉(zhuǎn)運動，通過凸輪旋轉(zhuǎn)時凸輪線型的變化就可以控制閥口的關(guān)閉規(guī)律。

重量選擇器是為應(yīng)對不同降落重量的艦載機所設(shè)計的。設(shè)置重量選擇器的值，通過搖塊調(diào)節(jié)錐閥的初始開口度以及閥芯的運動速度；預(yù)開口大小的調(diào)節(jié)，使得阻攔力大小適應(yīng)飛機重量的變化；而臂長比的改變，保證重量設(shè)置不同時閥口的關(guān)閉時機相同[3]。

文中定長沖跑控制閥的幾何參數(shù)參照Mk7-3型阻攔裝置，Mk7-3型阻攔裝置定長沖跑控制閥參數(shù)[4]見表1。

表1 Mk7-3型阻攔裝置參數(shù)

2 活塞運動速度

假設(shè)艦載機著艦后，著艦鉤正好掛住甲板上阻攔索的中點位置，則t時刻位置關(guān)系如圖2所示。圖中，Lt為t時刻艦載機的位移，L0為零時刻阻攔索甲板上長度的一半，L為t時刻甲板上阻攔索的長度。

圖2 t時刻艦載機位置示意圖Fig.2 Schematically carrier aircraft position at time t

艦載機著艦后t時刻，阻攔索和飛機位移滿足如下關(guān)系：

(1)

t時刻，滑輪索被拉出的長度：

(2)

此時，主液壓缸內(nèi)活塞的位移是：

(3)

式中：n為動滑輪組的動滑輪個數(shù)。

t時刻艦載機速度與阻攔索被拉出的速度關(guān)系為：

(4)

活塞速度與阻攔索被拉出的速度關(guān)系為：

(5)

3 錐閥調(diào)壓原理

定長沖跑控制閥的控制作用實質(zhì)上是一個節(jié)流閥。進口油液流速在主液壓缸活塞的推動下，隨時間不斷變化。閥芯隨時間增加向下移動，逐漸縮小節(jié)流面積。調(diào)節(jié)進口油液流速與閥芯運動的速度，將在錐閥的進口與出口兩端得到穩(wěn)定的壓強差。如圖3所示，d為閥座直徑，α為錐閥頂角的半角，x為錐閥運動t時的有效位移量。

圖3 錐閥節(jié)流示意圖Fig.3 The schematic of poppet valve

節(jié)流面積為：

(6)

節(jié)流閥的流量為：

(7)

式中：Cd為節(jié)流閥流量，系數(shù)如圖4所示；ρ為液壓油密度；Δp為主液壓缸油液與儲能瓶中油液的壓強差。

圖4 活塞行程與節(jié)流閥流量系數(shù)的關(guān)系[5]Fig.4 The relationship between the piston stroke and the discharge coefficient

由液體流動的連續(xù)性原理可得：

Q0=u0×A0=A1×u1=A2×u2，

(8)

式中：u0為節(jié)流處油液的平均速度；u1為閥座中油液的平均速度；u2為主液壓缸中油液的平均速度；A1為閥座截面積；A2為活塞的等效面積。

結(jié)合式(7)和式(8)可得到

(9)

綜上所述，由式(6)和式(9)可得到在Δp下，錐閥隨u2變化的位置x，即閥芯的開口度。

4 仿真與計算

4.1 模型建立

根據(jù)Mk7-3型液壓阻攔系統(tǒng)中定長沖跑控制閥的參數(shù)，用CATIA建立錐閥內(nèi)部流道三維幾何模型，閥座直徑d=90mm，錐閥頂角的半角α=45°，錐閥直徑D=127mm。

圖5 錐閥內(nèi)部流場模型Fig.5 The internal flow field model of poppet valve

圖6 錐閥內(nèi)部流場模型幾何參數(shù)Fig.6 The geometric parameters of of poppet valve the internal flow field model

4.2 網(wǎng)格劃分

錐閥內(nèi)部流道的網(wǎng)格模型通過Ansys13.0 中的ICEMCFD軟件進行劃分，進口、出口外和部邊界部分壓力梯度變化小，網(wǎng)格較粗，內(nèi)部邊界部分處于節(jié)流面積處，壓力梯度變化較大，網(wǎng)格細化。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，以適應(yīng)節(jié)流處較復(fù)雜的幾何形狀。

圖7 網(wǎng)格模型Fig.7 The mesh model of the internal flow field

4.3Fluent流場仿真

4.3.1 模型假設(shè)及參數(shù)計算

在定長沖跑控制閥產(chǎn)生穩(wěn)定壓力差的階段，艦載機所受阻攔力不變，作勻減速直線運動。參照文獻[6]，取0.6～1.5s為壓力差穩(wěn)定階段，在固定壓差下計算進口流速和閥芯運動速度。

1) 進口速度

由式(5)得到0.6～1.5s內(nèi)活塞運動速度，由式(8)得到進口的流速如表2所示。

表2 進口流速

2) 閥芯運動速度

由式(6)和式(8)及u2，得到在Δp=50MPa下，節(jié)流處開口度x的值。閥芯開口度x隨時間變化，從15.00 mm沿z軸負方向運動到8.19 mm。對時間求導(dǎo)后得到0.6～1.5 s內(nèi)閥芯運動的速度如表3所示。

表3 閥芯運動速度

4.3.2 Fluent參數(shù)設(shè)置

利用Ansys Fluent 13.0軟件對錐閥內(nèi)部流道模型進行瞬態(tài)仿真，運動區(qū)域網(wǎng)格更新方法采用彈簧光順和區(qū)域網(wǎng)格重構(gòu)相結(jié)合的方法，邊界運動由Profile文件驅(qū)動，完成閥芯運動的設(shè)置。

計算采用基于壓力的瞬態(tài)求解，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，動量項采用一階迎風(fēng)格式離散，壓力項采用標(biāo)準(zhǔn)格式離散，湍動能、湍流耗散率采用一階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合方程采用Simple算法求解。

Fluent邊界條件設(shè)置：速度入口的速度隨時間變化，通過Profile文件驅(qū)動；壓力出口的壓力值為4MPa；動網(wǎng)格設(shè)置中將閥芯網(wǎng)格部分設(shè)置為剛體；時間為步長0.01s，進行100步計算；時間總長為1.0s，每隔0.05s記錄1次數(shù)據(jù)。

5 計算結(jié)果

圖9～圖12為4個時間點進口的靜壓云圖。從圖中可看出，各時間點進口靜壓變化不大。進口中心處靜壓較壁面處靜壓相對較高，但增幅很小。

圖8 0.6 s進口靜壓Fig.8 Inlet static pressure at 0.6 s

圖9 0.8 s進口靜壓Fig.9 Inlet static pressure at 0.8 s

圖10 1.0 s時進口靜壓Fig.10 Inlet static pressure at 1.0 s

圖11 1.2 s時進口靜壓Fig.11 Inlet static pressure at 1.2 s

圖12 靜壓與時間關(guān)系Fig.12 The relationship between inlet static pressure and time

通過計算數(shù)據(jù)得到0.6～1.5s內(nèi)共20個時間點的進口靜壓平均值，繪制靜壓與時間的關(guān)系如圖13所示，在0.6～1.5s內(nèi)，進口處靜壓值的平均值保持平穩(wěn)，這說明在錐閥的節(jié)流作用下，定長沖跑控制閥進口壓強與出口壓強的差值保持穩(wěn)定，使作用在主液壓缸活塞上的阻攔力保持平穩(wěn)，達到穩(wěn)壓的目的，為艦載機著艦攔停提供平穩(wěn)的阻攔力。

6 結(jié) 語

本文用Fluent軟件中的動網(wǎng)格設(shè)置，對定長沖跑控制閥的穩(wěn)定壓力階段做瞬態(tài)仿真。在假設(shè)穩(wěn)壓階段飛機作勻減速的前提下，沒有對現(xiàn)有凸輪控制線作等比放大的方法，而是從進口流速和閥芯運動速度入手，計算進口的壓強。通過Fluent軟件的瞬態(tài)仿真得到進口壓強數(shù)據(jù)，各時間點壓強變化不大，說明產(chǎn)生的阻攔力保持不變，達到平穩(wěn)攔停的目的。

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LIXin-fei.Simulationofkeytechnologyoflaunchandlandforcarier-basedaircraft[D].Harbin:HarbinEngineeringUniversity,2012:95-97.

Research on pressure stabilization process of constant runout control valve

WANG Hui,XI An

(College of Aeronautical Engineering Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)

Considering the constant runout control valve(CROV) is the heart of the hydraulic arresting gear system，a three-dimensional model of flow field calculation which is proposed based on dynamic mesh.Numerical simulation of flow field in a spool motion is carried out by Fluent software. A spring-based smoothing method and local remeshing method combined with Profile driven mechanism is applied in mesh zone movement. The pressure of the inlet is calculated. The result can give theoretical support for the design of CROV.

constant runout control valve;Fluent;dynamic mesh

2013-07-22；

2013-08-16

王輝(1966-)，男，教授，研究方向為飛行仿真技術(shù)和流體傳動及控制。

U674.771

A

1672-7649(2014)03-0094-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.03.020